✓
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список принятых сокращений и обозначений.......................... 4
Введение.......................................................... 8
Глава 1. Анализ состояния работ по регистрации спектров космического радиоизлучения и постановка задач исследований.................... 18
1.1. Сравнительная оценка современных систем регистрации спектров.. 18
1.2. Выводы и постановка задач исследований........................ 28
Глава 2. Исследование основных характеристик системы регистрации спектров с БПФ-спектрометром...................................... 31
2.1. Чувствительность системы регистрации с БПФ-спектрометром и точность измерений................................................ 31
2.2. Влияние параметров вычислительного устройства на время эффективного накопления........................................... 38
2.3. Выводы........................................................ 52
Глава 3. Исследование и разработка системы регистрации с БПФ-спектрометром при бездетекторном методе калибровки............ 54
3.1. Исследование быстродействия системы регистрации с
' БПФ-спектрометром................................................... 54
3.2. Разработка программного обеспечения для системы регистрации с БПФ-спектрометром при бездетекторном способе калибровки........... 63
3.3. Экспериментальное исследование системы регистрации с БПФ-спектрометром при бездетекторном способе калибровки........... 72
3.4. Выводы........................................................ 78
Глава 4. Исследование и разработка быстродействующего специализированного БПФ-спектрометра на ПЛИС...................... 80
4.1. Выбор элементной базы и направления проектирования специализированного спектрометра системы регистрации излучений в спектральных линиях........................................... 80
4.2. Принципы проектирования БПФ-спекгрометра на ПЛИС.............. 85
2
4.3. Выбор АЦП для высокоскоростного БПФ-спектрометра на ПЛИС.. 88
4.4. Выбор ПЛИС для высокоскоростного БПФ-спектрометра............. 93
4.5. Разработка цифрового узла преобразования сигналов для БПФ-спектрометра на ПЛИС............................................ 101
4.6. Разработка быстродействующей системы регистрации со спектрометром на ПЛИС............................................... 105
4.7.Экспериментальное исследование спектрометра на ПЛИС............ 109
4.8. Выводы........................................................ 113
Глава 5. Исследование системы регистрации излучения в спектральных линиях в обсерватории «Светлое»..................................... 115
5.1. Цели наблюдений и условия их проведения....................... 115
5.2. Проверка работоспособности системы регистрации и возможности одновременной регистрации спектра в двух поляризациях............... 118
5.3. Экспериментальная оценка точности измерений параметров спектра............................................................. 121
5.4. Исследование быстродействия БПФ-спектрометра и оценка возможности сокращения времени наблюдения........................... 125
5.5. Исследование помех в обсерватории «Светлое» с помощью разработанной системы............................................... 130
5.6. Выводы........................................................ 134
Заключение........................................................... 136
Литература........................................................... 137
Приложение. Акт внедрения результатов диссертации в обсерватории
3
Список принятых сокращений и обозначений
Сокращения АКФ - автокорреляционная функция;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь напряжения;
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
БИС - большая интегральная схема;
БПФ - быстрое преобразование Фурье;
ГШ - генератор шума;
ГШК - калиброванный генератор шума;
ДМВ - дециметровый диапазон волн;
ДН - дифференциальная нелинейность;
ИН - интегральная нелинейность;
КИП - коэффициент использования поверхности;
ЛКП - левая круговая поляризация;
ЛЭ - логический элемент;
МЗР — младший значащий разряд;
МСП - местный стандарт покоя;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ПКП - правая круговая поляризация;
ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы;
ПО - программное обеспечение;
ПЧ - промежуточная частота;
РПУ - радиоастрономическое приемное устройство;
РСДБ - радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами;
САПР - система автоматизированного проектирования;
СКО — срсднсквадратическое отклонение;
СМВ - сантиметровый диапазон волн;
СПС - система преобразования сигналов;
УПТ - усилитель постоянного тока;
ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты;
ФМН - формирователь модулирующего напряжения;
ЦОС - цифровая обработка сигнала;
ЦСП — цифровой сигнальный процессор;
ШС - шумовой сигнал;
FPGA - Field Programmable Gâte Array - программируемая вентильная матрица;
LUT - look up table - таблица истинности (перекодировок);
MAC - multiply-and-accumulatc opérations per second - число операций умножения с накоплением, выполняемых за одну секунду;
SEFD - System Equivalent Flux Density - эквивалентная системная плотность потока.
Основные обозначения А - эффективная площадь антенны радиотелескопа;
В — ширина полосы частот — частотная полоса анализа, Впр - полоса пропускания приемного канала, Вш - полоса частот, в которой не содержатся компоненты исследуемого сигнала, В5 - полоса частот в которой могут присутствовать компоненты исследуемого сигнала);
D - динамический диапазон;
F - видеочастота (Fc., - частота считывания сигнала при аналого-цифровом преобразовании; Fsmax — максимальная частота сигнала, ограниченная видсофильтром);
G - число логических вентилей;
М-число операций умножения с накоплением;
N - число дискретных частот в спектре (#ш - число дискретных частот в полосе Вш)’,
Я - выходное сопротивление приемно-усилительного канала.
S - плотность потока электромагнитной энерг ии (S0 - сумма плотностей потоков ПКП и ЛКП);
5
Т - шумовая температура (Тс - шумовая температура приемной системы радиотелескопа;Т51- - шумовая температура сигнала на частоте К - коэффициент усиления приемного канала;
Р - среднее значение мощности в заданной полосе частот; а( - масштабный коэффициент с размерностью [с"1];
Ь - выходное отношение сигнал/шум, установленное для порога чувствительности;
&кш1 ” отношение шумовой температуры ГШК к шумовой температуре приемной системы радиотелескопа; с - скорость света (с =299792.4562 км/с); е - основание натурального логарифма (е=2,718281828459);
/- радиочастота (/о -излучаемая частота сигнала);
И — ошибка квантования;
У - мнимая единица (/=л/-1); к- постоянная Больцмана (£=1,38-10-23 Дж/град); т - число накопленных реализаций спектра; ллцп-разрядность АЦП;
пвес - разрядность представления весовых коэффициентов;
Лвыч - разрядность вычислений;
р — дискретный отсчет мощности в элементарной полосе частот А/; q - отношение сигнал/шум;
$(/) - дискретный комплексный спектр;
Г - время (Гсч - время, затрачиваемое на считывания пакета из 2N выборок сигнала, /н - время наблюдения); и - мгновенное значение напряжения;
- комплексные весовые коэфициенты; а — отношение времени считывания пакета выборок отсчетов сигнала к времени цикла получения реализации спектра;
А - абсолютная разница между двумя величинами (А/- интервал частотного разрешения);
6
8 - относительная погрешность;
я-число "пи” (я=3,1415926535897932384626434);
а — среднеквадратическое отклонение случайной величины;
г) - лучевая скорость (г>мсп - лучевая скорость относительно местного
стандарта покоя);
(р - фаза.
7
Введение
Актуальность работы
Для астрофизики большое значение имеет исследование космического радиоизлучения в спектральных линиях, которое генерируется газовыми облаками на фиксированных частотах, определяемых составом газа. По частоте излучения, интенсивности спектральных линий энергетического спектра и по доплеровскому смещению частоты сигнала можно судить о химическом составе газового облака, а также о его пространственном положении, размерах, скорости перемещения, температуре и давлении [1]. Наблюдение радиоизлучений в спектральных линиях позволяет получить наиболее полную картину распределения межзвёздного газа, а также о процессах, происходящих в нашей и других галактиках. На радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО», оснащенных высокочувствительными приемными устройствами [2, 3], часть времени отводится для астрофизических исследований, но аппаратура регистрации радиоизлучений в спектральных линиях отсутствовала. Поэтому наблюдения по одному из важных направлений астрофизики на этих радиотелескопах не могли проводиться.
Большинство обнаруженных к настоящему времени линий приходится на миллиметровый диапазон длин волн [4-6], но большое значение имеют исследования спектральных линий в дециметровом (ДМВ) и сантиметровом (СМВ) диапазонах волн, в которых работают радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО». Например, распределение широко распространенного во вселенной водорода изучают на основе анализа его спектральной линии излучения на волне 21 см [7]. Среди молекул, излучающих в СМВ и ДМВ диапазонах волн, помимо неорганических молекул также встречаются органические. В диапазоне ДМВ-СМВ помимо излучения атомарного водорода Н (волна 21 см) и гидроксила ОН (18 см) наблюдаются также и линии акрилонитрила СН2СНСЫ (22 см), гексатринила С6Н (22 см),
8
муравьиной кислоты (18 см), формамида (6,5 см), водяного пара Н2О (1,4 см) и другие [8].
Ширина спектральной линии излучаемого радиосигнала очень мала, но наблюдаемый спектр принятого радиотелескопом сигнала оказывается довольно широким из-за воздействия различных физических факторов на излучение при его прохождении через космическую среду [9]. Основной причиной смещения по частоте и расширения спектральных линий являются доплеровские эффекты, обусловленные тепловым движением атомов (молекул), крупномасштабным движением облаков и движением наблюдателя на поверхности Земли относительно источника излучения. Физические условия, в которых возникают излучения большинства космических объектов, остаются неизменными в течение весьма длительного времени, что дает основание при регистрации излучения таких источников считать его стационарным. Важными для астрофизики являются частотные спектры мощности или шумовой температуры принятого сигнала, которые обычно пересчитываются в распределения шумовых температур (или мощностей) по лучевым скоростям относительно местного стандарта покоя (МСП) [4]. В источнике может присутствовать несколько компонентов, движущихся с различными скоростями [10]. В этом случае наблюдается не одиночная линия, а смесь профилей этих компонентов. Основные характеристики наблюдаемых спектральных линий космического радиоизлучения, такие как интенсивность, ширина и сложность профиля, весьма разнообразны. В [11] показано, что для наблюдения спектральных линий в диапазоне ДМВ-СМВ требуется спектрометр с полосой анализа от 1 до 30 МГц и разрешающей способностью от 0,1-0,5 кГц до 50 кГц в зависимости от полосы анализа.
Сложность регистрации узкополосных сигналов космического излучения состоит в том, что эти сигналы весьма слабые: их шумовая температура Т5 значительно меньше температуры собственных шумов радиотелескопа. Поэтому для выделения сигнала из шума и регистрации его
спектра приходится длительное время наблюдать источник, многократно измеряя и затем усредняя спектр. Поскольку проведение
радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе требует значительных затрат сил и средств, большое значение имеет разработка таких систем регистрации, которые дают возможность существенного уменьшения времени наблюдения источника излучения, которое необходимо для накопления сигнала и получения требуемого отношения сигнал/шум.
В радиоастрономических обсерваториях в настоящее время используется разнообразная аппаратура, собранная из измерительных приборов или специальных систем, изготовленных в единственном экземпляре собственными силами научных подразделений. Таким образом, создание специализированных систем регистрации радиоизлучений в спектральных линиях, построенных на современной технологической базе с использованием новых принципов построения, позволяющих повысить основные параметры и оперативность, является весьма актуальной и важной задачей.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью диссертации является разработка и исследование системы регистрации радиоизлучения в спектральных линиях с использованием цифрового БПФ-спектрометра для оснащения радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО».
При реализации этой системы необходимо было решить следующие задачи:
— Определить основные расчётные соотношения и зависимости чувствительности системы регистрации и необходимого времени обработки данных, полученных при наблюдении источника, в режиме on-line от технических параметров системы (шумовая температура, быстродействие БПФ-спектрометра) и от энергетического уровня принимаемого сигнала;
10
— Оценить минимальное время наблюдения источника при использовании системы регистрации с БПФ-спектрометром, необходимое для получения гребуемого отношения сигнал/шум в зависимости от уровня принимаемого сигнала;
— Разработать принципы построения и программное обеспечение системы регистрации с БПФ-спектрометром, использующей способ калибровки без дополнительного радиометрического канала и исследовать характеристики быстродействия системы;
— Провести анализ и сопоставление возможности реализации специализированного БПФ-спектрометра с применением современной элементной базы: программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), специализированных процессоров и заказных микросхем;
— Разработать быстродействующий специализированный
БПФ-спектрометр и создать на его основе систему регистрации радиоизлучений в спектральных линиях, исключающую потери времени наблюдения источника;
— Ввести в действие разработанную систему регистрации излучений в спектральных линиях на радиотелескопе комплекса «Квазар-КВО» и провести измерения спектров космических источников;
— По результатам наблюдений оценить достоверность полученных в диссертации расчётных оценок чувствительности и времени наблюдения и провести сравнение с применявшимися ранее системами.
Целью диссертации является разработка системы регистрации радиоизлучения в спектральных линиях с использованием цифрового спектрометра на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) цифровых выборок сигнала для оснащения радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО».
Решение этих задач включает в себя вопросы выбора и обоснования методов амплитудной калибровки измеряемого спектра, разработку алгоритмов работы системы, исследование технических ограничений,
связанных с выбором новой элементной базы, разработку методик тестирования БПФ-спектромстра и системы регистрации в целом и другие технические вопросы.
Краткое содержание последующих разделов диссертации
В первой главе рассматриваются основные параметры систем регистрации спектра и проводится сравнение основных характеристик спектрометров, используемых в системах регистрации для ДМВ и СМВ диапазонов. Показана целесообразность разработки системы регистрации космического излучения в спектральных линиях на основе БПФ выборок шумового сигнала на выходе приемной системы радиотелескопа и использования нового способа амплитудной калибровки спектра, не требующего применения дополнительных радиометрических каналов с квадратичными детекторами. По результатам анализа современного состояния работ сформулированы задачи исследований.
Во второй главе исследуется чувствительность системы регистрации с БПФ-спектрометром и её связь с основными параметрами системы регистрации спектров, энергетическим уровнем сигналов и временем наблюдения, необходимым для выделения сигнала из шума и его регистрации. Проведено исследование погрешностей, ограничивающих время накопления в цифровой системе и выработаны требования к разрядности вычислений. Получены зависимости времени накопления сигнала от допустимой погрешности измерений и входного отношения сигнал/шум, что позволяет планировать наблюдательную программу.
Третья глава посвящена исследованию и разработке системы регистрации с БПФ-спектрометром с применением нового принципа амплитудной калибровки приемно-усилительного канала до входа спектрометра. Разработано программное и аппаратное обеспечение, позволяющее создать систему регистрации космического радиоизлучения в спектральных линиях и проводить спектральные наблюдения. Исследовано и
- Київ+380960830922